5 Werkstofftechnik
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Organisationseinheit der BAM
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Paper des Monats
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Komponenten von Fahrrädern werden im Betrieb vorwiegend schwingend beansprucht. Typische Werkstoffe sind Stahl, Aluminiumlegierungen, Messing, CFK und thermoplastische Kunststoffe. Da es sich, unabhängig von der Preiskategorie, um konstruktiven Leichtbau handelt, werden einige Bauteile betriebsfest mehr oder weniger weit oberhalb der Dauerfestigkeit ausgelegt. Die im normalen Betrieb auftretenden Schäden sind daher weit überwiegend Schwingbrüche. Andere Schadensmechanismen wie z.B. Korrosion spielen quantitativ eine untergeordnete Rolle. Schwingbrüche treten nach einer Periode unbemerkten Risswachstums oft ohne Vorwarnung und ohne makroskopische Verformung auf. Im Falle von sicherheitsrelevanten Komponenten wie Rahmen, Gabeln, Lenkern, Sattelstützen, Kurbelarmen oder Pedalen kann dies zu erheblichen Personenschäden führen, die den Wert des ursächlichen Bauteilschadens weit überschreiten.
Über einen langjährigen Zeitraum wurden gebrochene Komponenten aus dem Alltag und aus Gerichtsverfahren analysiert. Das Hauptaugenmerk lag hierbei auf der fraktographischen Analyse, teilweise wurden die zu Grunde liegenden Schadensursachen ermittelt. Einflussfaktoren sind beispielsweise konstruktive Kerben an ungünstigen Stellen, aber auch Werkstoffwahl und Fertigungsqualität spielen eine Rolle. In den meisten Fällen wurde jedoch die konstruktive Lebensdauer überschritten. Diese wird praktisch nie mitgeteilt, und eine wiederkehrende Prüfung sicherheitsrelevanter Bauteile findet nicht statt.
Im Sinne der Vermeidung von Schäden und Unfällen könnte darauf hingewirkt werden, für sicherheitsrelevante Komponenten Lebensdauern besser abzuschätzen und von der Laufleistung abhängige Sichtprüfungen zu empfehlen.
Laser powder bed fusion (PBF-LB/M) of metallic alloys is a layer wise additive manufacturing process which provides significant scope for more efficient designs of components, benefiting performance and weight, leading to efficiency improvements for various sectors of industry. However, to benefit from these design freedoms, knowledge of the high produced induced residual stress and mechanical property anisotropy associated with the unique microstructures is critical. X-ray and neutron diffraction are considered the benchmark for non-destructive characterization of surface and bulk internal residual stress. The latter, characterized by the high penetration power in most engineering alloys, allows for the use of diffraction angle close to 90° enabling a near cubic sampling volume to be specified. However, the complex microstructures of columnar growth with inherent crystallographic texture typically produced during PBF-LB/M of metallics present significant challenges to the assumptions typically required for time efficient determination of residual stress. These challenges include the selection of an appropriate set of diffraction elastic constants and a representative strain-free reference for the material of interest. In this presentation advancements in the field of diffraction-based residual stress analysis of L-PBF Inconel 718 will be presented. The choice of an appropriate set of diffraction-elastic constants depending on the underlying microstructure will be described.
Das zyklische plastische Verformungsverhalten von additiv gefertigtem Edelstahl AISI 316L wurde in dehnungsgeregelten Kurzzeitfestigkeitsversuchen (LCF-Versuchen) untersucht. Dabei wurden zwei Wärmebehandlungszustände betrachtet: Beim ersten Zustand war die fertigungsbedingte zelluläre Struktur vorhanden, während sie durch die zweite Wärmebehandlung aufgelöst wurde. Untersuchungen im Transmissions-Elektronen-Mikroskop (TEM) zeigten, dass die zyklische Verformung die Zellstruktur lokal zerstörte und Gleitbänder entstanden, was die Entfestigung in diesem Fall erklärt. Für Material ohne Zellstrukturen resultierten nach zyklischer Verformung ähnliche Versetzungsstrukturen wie in konventionell gefertigtem (warmgewalzten) Material.
Aero-engine turbine disks are safety-relevant components which are operated under high thermal and mechanical stress conditions. The actual part qualification and certification procedures make use of spin-tests conducted on production-similar disks. While these tests provide, on the one hand, a reliable definition of the critical conditions for real components, on the other hand they represent a relevant cost item for engine manufacturers. The aim of this work is to present two alternative burst speed assessment methods under development based on the Failure Assessment Diagram (FAD) and a global stability criterion, respectively. In the scope of the fracture mechanics assessment, the failure modes hoop-burst and rim-peeling are investigated with semicircular surface cracks modelled at the critical regions on the turbine disk. The comparison of the predicted critical rotational speed shows good agreement between the assessment methods.
Additive manufacturing methods such as laser powder bed fusion (LPBF) allow geometrically complex parts to be manufactured within a single step. However, as an aftereffect of the localized heat input, the rapid cooling rates are the origin of the large residual stress (RS) retained in as-manufactured parts. With a view on the microstructure, the rapid directional cooling leads to a cellular solidification mode which is accompanied by columnar grown grains possessing crystallographic texture. The solidification conditions can be controlled by the processing parameters and the scanning strategy. Thus, the process allows one to tailor the microstructure and the texture to the specific needs. Yet, such microstructures are not only the origin of the mechanical anisotropy but also pose metrological challenges for the diffraction-based RS determination. In that context the micromechanical elastic anisotropy plays an important role: it translates the measured microscopic strain to macroscopic stress. Therefore, it is of uttermost importance to understand the influence of the hierarchical microstructures and the texture on the elastic anisotropy of LPBF manufactured materials.
This study reveals the influence of the build orientation and the texture on the micro-mechanical anisotropy of as-built Inconel 718. Through variations of the build orientation and the scanning strategy, we manufactured specimens possessing [001]/[011]-, [001]-, and [011]/[111]-type textures. The resulting microstructures lead to differences in the macroscopic mechanical properties. Even further, tensile in-situ loading experiments during neutron diffraction measurements along the different texture components revealed differences in the microstrain response of multiple crystal lattice planes. In particular, the load partitioning and the residual strain accumulation among the [011]/[111] textured specimen displayed distinct differences measured up to a macroscopic strain of 10 %. However, the behavior of the specimens possessing [001]/[011]-and [001]-type texture was only minorly affected. The consequences on the metrology of RS analysis by diffraction-based methods are discussed.
Komponenten von Fahrrädern werden im Betrieb vorwiegend schwingend beansprucht. Typische Werkstoffe sind Stahl, Aluminiumlegierungen, Messing, CFK und thermoplastische Kunststoffe. Da es sich, unabhängig von der Preiskategorie, um konstruktiven Leichtbau handelt, werden einige Bauteile betriebsfest mehr oder weniger weit oberhalb der Dauerfestigkeit ausgelegt. Die im normalen Betrieb auftretenden Schäden sind daher weit überwiegend Schwingbrüche. Andere Schadensmechanismen wie z.B. Korrosion spielen quantitativ eine untergeordnete Rolle. Schwingbrüche treten nach einer Periode unbemerkten Risswachstums oft ohne Vorwarnung und ohne makroskopische Verformung auf. Im Falle von sicherheitsrelevanten Komponenten wie Rahmen, Gabeln, Lenkern, Sattelstützen, Kurbelarmen oder Pedalen kann dies zu erheblichen Personenschäden führen, die den Wert des ursächlichen Bauteilschadens weit überschreiten.
Über einen langjährigen Zeitraum wurden gebrochene Komponenten aus dem Alltag und aus Gerichtsverfahren analysiert. Das Hauptaugenmerk lag hierbei auf der fraktographischen Analyse, teilweise wurden die zu Grunde liegenden Schadensursachen ermittelt. Einflussfaktoren sind beispielsweise konstruktive Kerben an ungünstigen Stellen, aber auch Werkstoffwahl und Fertigungsqualität spielen eine Rolle. In den meisten Fällen wurde jedoch die konstruktive Lebensdauer überschritten. Diese wird praktisch nie mitgeteilt, und eine wiederkehrende Prüfung sicherheitsrelevanter Bauteile findet nicht statt.
Im Sinne der Vermeidung von Schäden und Unfällen könnte darauf hingewirkt werden, für sicherheitsrelevante Komponenten Lebensdauern besser abzuschätzen und von der Laufleistung abhängige Sichtprüfungen zu empfehlen.
The round robin test investigated the reliability users can expect for AlSi10Mg additive manufactured specimens by laser powder bed fusion through examining powder quality, process parameter, microstructure defects, strength and fatigue. Besides for one outlier, expected static material properties could be found. Optical microstructure inspection was beneficial to determine true porosity and porosity types to explain the occurring scatter in properties. Fractographic analyses reveal that the fatigue crack propagation starts at the rough as-built surface for all specimens. Statistical analysis of the scatter in fatigue using statistical derived safety factors concludes that at a stress of 36.87 MPa the fatigue limit of 107 cycles could be reached for all specimen with a survival probability of 99.999 %.
The presentation shows the results of high cycle fatigue (HCF) tests from the aluminium alloy EN AW-2618A. This study investigates the mean stress influence in the T61 condition and the effect of overaging. For this purpose, axial HCF tests were carried out at room temperature and different stress ratios (R=-1, R=0.1) as well as with overaged conditions (T61+10h@230°C, T61+1000h@230°C). After completion of the tests, the fracture surfaces were examined to study crack initiation.
Entwicklung der Mikrostruktur der mechanischen Eigenschaften und der Eigenspannungen in L-PBF 316L
(2022)
Die additive Fertigung (AM) metallischer Werkstoffe mittels Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) ermöglicht einzigartige hierarchische Mikrostrukturen, die zu Verbesserungen bestimmter mechanischer Eigenschaften gegenüber konventionell hergestellten Varianten derselben Legierung führen können. Allerdings ist das L-PBF-Verfahren häufig durch das Vorhandensein hoher Eigenspannungen gekennzeichnet, die es zu verstehen und zu mindern gilt. Daher ist das Verständnis der Mikrostrukturen, der Eigenspannungen und der daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften entscheidend für eine breite Akzeptanz bei sicherheitskritischen Anwendungen. Die BAM hat ein multidisziplinäres Forschungsprogramm gestartet, um diese Aspekte bei LPBF 316L zu untersuchen. Der vorliegende Beitrag stellt einige der wichtigsten Ergebnisse vor: der Einfluss von Prozessparametern auf die Mikrostruktur, der Einfluss von Mikrostruktur und Textur auf die Festigkeit, Kriechverhalten und Schädigung und die Stabilität von Eigenspannungen und Mikrostruktur unter Wärmebehandlungsbedingungen.
The manufacturability of metallic alloys using laser-based additive manufacturing methods such as laser powder bed fusion has substantially improved within the last decade. However, local melting and solidification cause hierarchically structured and crystallographically textured microstructures possessing large residual stress. Such microstructures are not only the origin of mechanical anisotropy but also pose metrological challenges for the diffraction-based residual stress determination. Here we demonstrate the influence of the build orientation and the texture on the microstructure and consequently the mechanical anisotropy of as-built Inconel 718. For this purpose, we manufactured specimens with [001]/[011]-, [001]- and [011]/[111]-type textures along their loading direction. In addition to changes in the Young’s moduli, the differences in the crystallographic textures result in variations of the yield and ultimate tensile strengths. With this in mind, we studied the anisotropy on the micromechanical scale by subjecting the specimens to tensile loads along the different texture directions during in situ neutron diffraction experiments. In this context, the response of multiple lattice planes up to a tensile strain of 10% displayed differences in the load partitioning and the residual strain accumulation for the specimen with [011]/[111]-type texture. However, the relative behavior of the specimens possessing an [001]/[011]- and [001]-type texture remained qualitatively similar. The consequences on the metrology of residual stress determination methods are discussed.